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基于二维材料的光电探测器在光通信波段应用

MEMS 来源:红外芯闻 作者:红外芯闻 2022-11-14 14:33 次阅读

光电探测器是一种将光信号转化为电信号的传感器件。高性能光电探测器,尤其是红外光电探测器,在光通信、热成像、医疗、军事和环境监控等领域有着重要的应用。根据探测波长的分类,红外光电探测器可以分为近红外(0.78-3μm)和中红外(3-30μm)光电探测器等。光通信波段属于近红外波段的范围,因此本文主要讨论近红外光电探测器。目前,基于铟镓砷(InGaAs)和汞镉碲(HgCdTe)等传统化合物半导体材料的红外光电探测器,面临着一些问题,从而难以满足日益增长的商业需求。新型二维材料具有独特的结构和光电性质,是制备下一代低功耗、小型化光电探测器的重要材料。

据麦姆斯咨询报道,近日,北京大学材料科学与工程学院和深圳大学微纳光电子学研究院的研究人员联合在《中国激光》期刊上发表了以“基于二维材料的光通信波段光电探测器”为题的文章。文中首先介绍了二维材料的基本性质;其次阐述了光电探测器的基本工作原理和性能指标;然后论述了由二维材料及其异质结构建光电探测器在光通信波段的研究进展;最后总结了二维材料在光通信波段光电探测器件领域的应用前景和未来挑战。

二维材料的基本性质

二维材料是指某一个维度尺寸是原子级厚度,另外两个维度尺寸远大于这个维度的一类材料。随着2004年单层石墨烯的成功剥离吸引了科学家们的广泛关注,许多二维材料被相继发现,包括过渡金属硫族化合物(TMDs)和氮化硼(BN)等。大部分的二维材料都表现出了独特的物理性质,其光电特性如图1所示。

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图1 覆盖宽光谱的二维材料。(a)氮化硼、过渡金属硫族化合物和石墨烯的结构和带隙示意图;(b)从紫外到远红外等光谱范围,其中光通信波段属于近红外范围内。

光电探测器的工作原理和主要性能参数

根据从光信号-电信号转换的工作原理,光电探测器可分光电导效应(Photoconductive effect,PCE)、光伏效应(Photovoltaic effect,PVE)、光栅控效应(Photogating effect,PGE)、光热效应(Photo-thermoelectric effect,PTE)等四种类型。

光电探测器的性能参数包括暗电流和光电流、开关比(ON/OFF ratio)、光灵敏度(Responsivity,R)、量子效率(Quantumefficiency,QE)、等效噪声功率(Noise equivalent power,NEP)、比探测率(Specificdetectivity,D*)和响应速率。

基于单元素二维材料的光通信波段光电探测器

文中主要论述了基于二维材料的光电探测器在光通信波段应用的发展状况。

基于石墨烯的光通信波段光电探测器

由于石墨烯具有零带隙和超高的迁移率,因此通常应用于高频、宽光谱的光电探测器,如图2所示。2010年,Mueller等采用了交叉排列的金属/石墨烯/金属器件结构,电极金属分别采用钛(Ti)和钯(Pd),由于不同金属功函数的差异性,从而导致能带弯曲和沟道的不对称电场,进而在光通信C带1550nm处获得了6.1mA/W的灵敏度和10GBit/s高的数据传输速率,可应用于高速光电探测。基于石墨烯的光通信波段探测器虽具有超快响应速度,但存在光灵敏度低的问题。为了解决这个问题,Chen等基于硅衬底制备了石墨烯基光电探测器,其石墨烯作为光吸收和电荷传输层,进而在1550nm波长处实现了0.23A/W高的灵敏度和3μs短的响应时间,这是由于石墨烯和硅形成的内建电场有效地延长了光生载流子的寿命。

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图2 用于光通信的石墨烯基光电探测器

基于黑磷的光通信波段光电探测器

BP也是一种单元素二维层状半导体材料,具有0.3-2eV的直接带隙和较高的迁移率,从而被应用于新型光通信波段光电探测器,如图3所示。2014年Engel等制备的BP光电探测器在1550nm波长处可实现5mA/W。紧接着Youngblood等制备了与硅光学波导集成的BP光电探测器,在光通信波长1550nm处实现了3GBit/s的数据传输速率。2017年Liu等制备了基于BP/Au肖特基的光电探测器,在C带1550nm处实现了230mA/W高的灵敏度和4.8-6.8ms的响应时间。这表明了BP在光通信领域具有重要的应用潜力。

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图3 用于光通信的BP光电探测器

基于碲的光通信波段光电探测器

最近,碲烯作为一种新型单元素二维材料,由于具有高迁移率和好的稳定性等优良特点,从而获得了广泛的研究和关注。文中简要论述碲在光通信波段上的应用,如图4所示。Amani等在Au和氧化铝上制备了碲光电探测器,通过调节氧化铝的厚度便可调节光电探测器在不同探测波长的灵敏度,如当氧化铝的厚度为150nm,在光通信波长1550nm处实现了7A/W高的灵敏度。Shen等制备的碲光电探测器在光通信波长1550nm处实现了19.2mA/W灵敏度和37MHz的带宽。2022年Ma等通过物理气相沉积生长碲纳米片并制备成光电探测器,可实现从可见到厘米波段的探测。

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图4 用于光通信的碲光电探测器

基于其他单元素二维材料的光通信波段光电探测器

除了石墨烯、BP和Te之外,还有其他的单元素二维材料,比如锗(Ge)、铋(Bi)和砷(As)等。这些材料具有高迁移率、窄带隙等特点,可被应用于光通信波段光电探测器。作者主要介绍了Ge、Bi和As在光通信波段光电探测器的应用,如图5所示。Song等报道了一种光子晶体共振结构的Ge光电探测器,在通信波长1550nm处实现了0.62A/W高的灵敏度,在整个C带实现了50%的外量子效率。Yao等人首次报道了一种稳定的宽光谱(370-1550nm)探测的Bi光电探测器,实现了0.25A/W高的灵敏度、0.9s的上升时间和1.9s的衰减时间,进而实现O、E、S和C波段探测。这充分说明了Ge、Bi和As等单元素二维材料在光通信波段光电探测器中的应用潜力。

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图5 用于光通信的锗、铋和砷光电探测器

基于双元素二维材料的光通信波段光电探测器

双元素二维材料种类繁多,如TMDs、拓扑绝缘体和过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物(MXenes)等,具有高迁移率和适当大小的带隙,因此被广泛应用于光通信波段光电探测。

基于过渡金属硫族化合物的光通信波段光电探测器

MoS2作为一种典型的TMDs材料,在单层具有1.89eV的直接带隙,而在多层的时候具有1.3eV的间接带隙,且其带隙随层厚的增加而减小。因此,MoS2不适合应用于光通信波段光电探测器,而Wang等人利用偏氟乙烯三氟乙烯铁电聚合物膜作为介电层制备了MoS2光电探测器,从而实现了500到1550nm的探测范围。而多层MoTe2是一种具有0.9eV左右的间接带隙半导体,可被应用于光通信波段光电探测器。此外,MoTe2还存在另外一种II型外尔半金属态(Td-MoTe2),可以实现宽光谱探测范围。这充分表明了MoTe2等TMDs材料在集成光子光通信光电探测器领域的应用潜力。

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图6 用于光通信的MoS2和MoTe2光电探测器

贵族金属硫族化合物作为一类特殊的TMDs材料,它们具有10³cmV⁻¹s⁻¹高的迁移率、0-2eV的带隙和强稳定性等优良性能,可被应用于光通信波段光电探测器,故而引起了科学家们的广泛关注,研究结果如图7所示。

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图7 用于光通信的贵金属硫化物光电探测器

基于拓扑绝缘体的光通信波段光电探测器

二维拓扑绝缘体,如薄层Bi2Se3等具有0.3eV窄带隙,且与MoS2相当的迁移率。因此它们也成为一种被应用于高性能红外波段光电探测器的候选材料。如图8所示,2018年Wang等通过范德瓦尔斯外延法生长厘米级的Bi2Se3薄片(3-10nm),并制备了光电探测器。Sharma等制备了基于另一种拓扑绝缘体,Bi2Te3的光电探测器在光通信波段其灵敏度高于330A/W,探测率高于1.0×10¹⁰Jones。这充分表明了拓扑绝缘体材料在光通信波段光电探测器的应用潜力。

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图8 用于光通信的硒化铋光电探测器

基于MXenes的光通信波段光电探测器

MXene薄膜具有90%以上的宽波段光学透射率,大部分的MXenes都是金属态和半金属态,因此通常被应用于电磁屏蔽、等离子体和光电探测器等应用中。如图9所示,Jeon等人构建了基于Mo2C/MoS2混合结构的光电探测器,当光栅结构为多周期时,该混合探测器能实现>10³A/W高的灵敏度和>10²高的光开光比,相比于MoS2光电探测器在光通信波长1310nm处的灵敏度提高了3个数量级。这充分证明了MXenes在高灵敏度光通信波段光电探测器中具有重要的应用前景。

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图9 用于光通信的Mo2C光电探测器

基于范德瓦尔斯异质结构建的光通信波段光电探测器

二维材料/二维材料异质结构

窄带隙半导体具有吸收低能量光子的特性,但是通常表现出较差的光响应和较低的响应速度,这是由于较弱的光吸收和低效的载流子分离和传输。通过vdW构建的二维异质结,其内电场可以有效地抑制暗电流噪声和电荷复合,从而提高光电流和光响应,相关研究成果如图10所示。

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图10 基于光通信的范德瓦尔斯异质结光电探测器

基于p-g-n异质结构

基于p-g-n的异质结构是一种用于高性能宽带光电探测的新兴器件架构。在TMDs/TMDs异质结构之间夹入石墨烯,不仅可以改善TMDs层之间的接触、提高电子-空穴对分离效率和减少界面电荷陷阱以获得更快的光响应,而且借助石墨烯的无间隙还可以拓宽光电探测器的探测光谱范围。此外,通过改变石墨烯中间层的厚度,可以有效地调整和优化光生载流子到电极的光吸收、迁移率和传输距离。Long等在MoS2和WSe2之间夹入石墨烯,形成p-g-n范德华异质结,实现了400-2400nm的宽探测波长范围和53.6/30.3μs短的上升/下降时间。

结束语

本篇综述介绍了光探测器的原理、评价参数指标、二维材料的优势和基于二维材料及其异质结的光通信波段光电探测器。尽管目前报道的二维材料在光探测方面具有优异的性能,但仍有一些困难需要解决。

首先,二维材料目前仍存在难以大规模制备以及器件的均一和可靠性差等问题。化学气相沉积法(CVD)是实现二维材料产业化制备的最有潜力的技术。然而目前该方法在材料的结晶性和层厚方面上的可控性较差,这使得CVD制备的二维材料的迁移率相对较低。

其次,二维材料光探测器件的研究往往受到接触端点肖特基势垒的影响,一方面势垒抑制了电荷传输,降低了器件的性能。另一方面肖特基势垒本身也具有强烈的光响应,这会对光电探测器光响应的研究产生严重干扰,因此如何实现接触位点的欧姆接触一直都是二维材料研究的热点问题。

再者,由于二维材料超薄的性质,二维材料的光吸收不足,导致灵敏度和EQE低。为了增强光吸收,通常会增加材料的层数,但这会产生较大的暗电流,降低了检测灵敏度。为此,除了上文中介绍的通过构建异质结的方法还有如下策略:1)光栅控效应:光栅控效应是通过光诱导阱调制沟道电导的一种方法。活性材料吸收光子并产生电子-空穴对,其中一类载流子将被捕获形成局域场。光诱导的局域场延长了光生载流子的寿命,获得了较高的增益;2)等离子共振场增强效应:它的机理是二维材料中的二维电子气与表面等离子波相互作用的过程,当等离子体波受到弱阻尼时,等离子体波与二维电子气体形成干涉,进而实现等离子体波的共振探测模式,共振检测模式的信号强度通常要增强5-20倍;3)电场力调控效应:利用铁电材料超高的极化强度引起的极强电场,来减小沟道材料的禁带宽度并抑制暗电流,从而提高探测范围和灵敏度。此外,可以尝试一些新颖的设计和结构,在p-n结之间插入红外光吸收层可实现更低的暗电流和更高的灵敏度。

总之,基于二维材料的红外光电探测器的优异性能表明它们有希望应用于下一代高性能红外光电探测器。要想满足实际应用,在高品质、大规模二维材料的制备、以及器件制造工艺上仍需要大量的研究工作。

审核编辑:郭婷

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原文标题:综述:基于二维材料的光电探测器在光通信(近红外)波段的研究进展

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